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            <h2 class="toc-title">目录</h2>
            <div class="toc-content" id="toc-content-auto"></div>
        </div><article class="page single" data-toc="disable"><div class="featured-image"><img
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        title="Linux进程、线程文件、描述符的底层原理" /></div><div class="single-card" data-image="true"><h2 class="single-title animated flipInX">Linux进程、线程文件、描述符的底层原理</h2><div class="post-meta">
                <div class="post-meta-line"><span class="post-author"><a href="/" title="Author" rel=" author" class="author"><i class="fas fa-user-circle fa-fw"></i>作者</a></span>&nbsp;<span class="post-category">出版于  <a href="/categories/%E6%B7%B1%E5%85%A5linux%E5%86%85%E6%A0%B8/"><i class="far fa-folder fa-fw"></i>深入Linux内核</a></span></div>
                <div class="post-meta-line"><span><i class="far fa-calendar-alt fa-fw"></i>&nbsp;<time datetime="2023-05-27">2023-05-27</time></span>&nbsp;<span><i class="fas fa-pencil-alt fa-fw"></i>&nbsp;约 2360 字</span>&nbsp;
                    <span><i class="far fa-clock fa-fw"></i>&nbsp;预计阅读 5 分钟</span>&nbsp;</div>
            </div>
            
            <hr><div class="details toc" id="toc-static"  data-kept="">
                    <div class="details-summary toc-title">
                        <span>目录</span>
                        <span><i class="details-icon fas fa-angle-right"></i></span>
                    </div>
                    <div class="details-content toc-content" id="toc-content-static"><nav id="TableOfContents">
  <ul>
    <li><a href="#进程是什么">进程是什么</a></li>
    <li><a href="#文件描述符是什么">文件描述符是什么</a></li>
    <li><a href="#线程是什么">线程是什么</a></li>
  </ul>
</nav></div>
                </div><div class="content" id="content"><p>说到进程，恐怕面试中最常见的问题就是线程和进程的关系了，那么先说一下答案：<strong>在 Linux 系统中，进程和线程几乎没有区别</strong>。</p>
<p>Linux 中的进程就是一个数据结构，看明白就可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理，最后我们从操作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。</p>
<h2 id="进程是什么">进程是什么</h2>
<p>首先，抽象地来说，我们的计算机就是这个东西：</p>
<p><img
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        src="/svg/loading.min.svg"
        data-src="https://img-blog.csdnimg.cn/d282b7504e3042229b1fef219e02b2b1.png"
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        title="img" /></p>
<p>这个大的矩形表示计算机的<strong>内存空间</strong>，其中的小矩形代表<strong>进程</strong>，左下角的圆形表示<strong>磁盘</strong>，右下角的图形表示一些<strong>输入输出设备</strong>，比如鼠标键盘显示器等等。另外，注意到内存空间被划分为了两块，上半部分表示<strong>用户空间</strong>，下半部分表示<strong>内核空间</strong>。</p>
<p>用户空间装着用户进程需要使用的资源，比如你在程序代码里开一个数组，这个数组肯定存在用户空间；内核空间存放内核进程需要加载的系统资源，这一些资源一般是不允许用户访问的。但是注意有的用户进程会共享一些内核空间的资源，比如一些动态链接库等等。</p>
<p>我们用 C 语言写一个 hello 程序，编译后得到一个可执行文件，在命令行运行就可以打印出一句 hello world，然后程序退出。在操作系统层面，就是新建了一个进程，这个进程将我们编译出来的可执行文件读入内存空间，然后执行，最后退出。</p>
<p><strong>你编译好的那个可执行程序只是一个文件</strong>，不是进程，可执行文件必须要载入内存，包装成一个进程才能真正跑起来。进程是要依靠操作系统创建的，每个进程都有它的固有属性，比如进程号（PID）、进程状态、打开的文件等等，进程创建好之后，读入你的程序，你的程序才被系统执行。</p>
<p>那么，操作系统是如何创建进程的呢？<strong>对于操作系统，进程就是一个数据结构</strong>，我们直接来看 Linux 的源码：</p>
<div class="highlight"><pre tabindex="0" class="chroma"><code class="language-c" data-lang="c"><span class="k">struct</span> <span class="n">task_struct</span> <span class="p">{</span>
    <span class="c1">// 进程状态
</span><span class="c1"></span>    <span class="kt">long</span>              <span class="n">state</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 虚拟内存结构体
</span><span class="c1"></span>    <span class="k">struct</span> <span class="n">mm_struct</span>  <span class="o">*</span><span class="n">mm</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 进程号
</span><span class="c1"></span>    <span class="n">pid_t</span>             <span class="n">pid</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 指向父进程的指针
</span><span class="c1"></span>    <span class="k">struct</span> <span class="n">task_struct</span> <span class="n">__rcu</span>  <span class="o">*</span><span class="n">parent</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 子进程列表
</span><span class="c1"></span>    <span class="k">struct</span> <span class="n">list_head</span>        <span class="n">children</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 存放文件系统信息的指针
</span><span class="c1"></span>    <span class="k">struct</span> <span class="n">fs_struct</span>        <span class="o">*</span><span class="n">fs</span><span class="p">;</span>
    <span class="c1">// 一个数组，包含该进程打开的文件指针
</span><span class="c1"></span>    <span class="k">struct</span> <span class="n">files_struct</span>     <span class="o">*</span><span class="n">files</span><span class="p">;</span>
<span class="p">};</span>
</code></pre></div><p><code>task_struct</code>就是 Linux 内核对于一个进程的描述，也可以称为「进程描述符」。源码比较复杂，我这里就截取了一小部分比较常见的。</p>
<p>其中比较有意思的是<code>mm</code>指针和<code>files</code>指针。<code>mm</code>指向的是进程的虚拟内存，也就是载入资源和可执行文件的地方；<code>files</code>指针指向一个数组，这个数组里装着所有该进程打开的文件的指针。</p>
<h2 id="文件描述符是什么">文件描述符是什么</h2>
<p>先说<code>files</code>，它是一个文件指针数组。一般来说，一个进程会从<code>files[0]</code>读取输入，将输出写入<code>files[1]</code>，将错误信息写入<code>files[2]</code>。</p>
<p>举个例子，以我们的角度 C 语言的<code>printf</code>函数是向命令行打印字符，但是从进程的角度来看，就是向<code>files[1]</code>写入数据；同理，<code>scanf</code>函数就是进程试图从<code>files[0]</code>这个文件中读取数据。</p>
<p><strong>每个进程被创建时，<code>files</code>的前三位被填入默认值，分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引</strong>，所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入，1 是输出，2 是错误。</p>
<p>我们可以重新画一幅图：</p>
<p><img
        class="lazyload"
        src="/svg/loading.min.svg"
        data-src="https://img-blog.csdnimg.cn/54092e0d39b44b72b883cc1c378675a7.png"
        data-srcset="https://img-blog.csdnimg.cn/54092e0d39b44b72b883cc1c378675a7.png, https://img-blog.csdnimg.cn/54092e0d39b44b72b883cc1c378675a7.png 1.5x, https://img-blog.csdnimg.cn/54092e0d39b44b72b883cc1c378675a7.png 2x"
        data-sizes="auto"
        alt="https://img-blog.csdnimg.cn/54092e0d39b44b72b883cc1c378675a7.png"
        title="img" /></p>
<p>对于一般的计算机，输入流是键盘，输出流是显示器，错误流也是显示器，所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的，我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。</p>
<p>PS：不要忘了，Linux 中一切都被抽象成文件，设备也是文件，可以进行读和写。</p>
<p>如果我们写的程序需要其他资源，比如打开一个文件进行读写，这也很简单，进行系统调用，让内核把文件打开，这个文件就会被放到<code>files</code>的第 4 个位置：</p>
<p><img
        class="lazyload"
        src="/svg/loading.min.svg"
        data-src="https://img-blog.csdnimg.cn/9189dfb8f167415f82638726a37945db.png"
        data-srcset="https://img-blog.csdnimg.cn/9189dfb8f167415f82638726a37945db.png, https://img-blog.csdnimg.cn/9189dfb8f167415f82638726a37945db.png 1.5x, https://img-blog.csdnimg.cn/9189dfb8f167415f82638726a37945db.png 2x"
        data-sizes="auto"
        alt="https://img-blog.csdnimg.cn/9189dfb8f167415f82638726a37945db.png"
        title="img" /></p>
<p>明白了这个原理，<strong>输入重定向</strong>就很好理解了，程序想读取数据的时候就会去<code>files[0]</code>读取，所以我们只要把<code>files[0]</code>指向一个文件，那么程序就会从这个文件中读取数据，而不是从键盘。</p>
<p><strong>管道符</strong>其实也是异曲同工，把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」，数据就在其中传递，不得不说这种设计思想真的很优美：</p>
<div class="highlight"><pre tabindex="0" class="chroma"><code class="language-shell" data-lang="shell">cmd1 <span class="p">|</span> cmd2 <span class="p">|</span> cmd3
</code></pre></div><p><img
        class="lazyload"
        src="/svg/loading.min.svg"
        data-src="https://img-blog.csdnimg.cn/90f7ca782e754fb5afeed67810c2569f.png"
        data-srcset="https://img-blog.csdnimg.cn/90f7ca782e754fb5afeed67810c2569f.png, https://img-blog.csdnimg.cn/90f7ca782e754fb5afeed67810c2569f.png 1.5x, https://img-blog.csdnimg.cn/90f7ca782e754fb5afeed67810c2569f.png 2x"
        data-sizes="auto"
        alt="https://img-blog.csdnimg.cn/90f7ca782e754fb5afeed67810c2569f.png"
        title="img" /></p>
<p>到这里，你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了，不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件，全部都可以读写，统一装进一个简单的<code>files</code>数组，进程通过简单的文件描述符访问相应资源，具体细节交于操作系统，有效解耦，优美高效。</p>
<h2 id="线程是什么">线程是什么</h2>
<p>首先要明确的是，多进程和多线程都是并发，都可以提高处理器的利用效率，所以现在的关键是，多线程和多进程有啥区别。</p>
<p>为什么说 Linux 中线程和进程基本没有区别呢，因为从 Linux 内核的角度来看，并没有把线程和进程区别对待。</p>
<p>我们知道系统调用<code>fork()</code>可以新建一个子进程，函数<code>pthread()</code>可以新建一个线程。<strong>但无论线程还是进程，都是用<code>task_struct</code>结构表示的，唯一的区别就是共享的数据区域不同</strong>。</p>
<p>换句话说，线程看起来跟进程没有区别，只是线程的某些数据区域和其父进程是共享的，而子进程是拷贝副本，而不是共享。就比如说，<code>mm</code>结构和<code>files</code>结构在线程中都是共享的，我画两张图你就明白了：</p>
<p><img
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<p><img
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<p>所以说，我们的多线程程序要利用锁机制，避免多个线程同时往同一区域写入数据，否则可能造成数据错乱。</p>
<p>那么你可能问，<strong>既然进程和线程差不多，而且多进程数据不共享，即不存在数据错乱的问题，为什么多线程的使用比多进程普遍得多呢</strong>？</p>
<p>因为现实中数据共享的并发更普遍呀，比如十个人同时从一个账户取十元，我们希望的是这个共享账户的余额正确减少一百元，而不是希望每人获得一个账户的拷贝，每个拷贝账户减少十元。</p>
<p>当然，必须要说明的是，只有 Linux 系统将线程看做共享数据的进程，不对其做特殊看待，其他的很多操作系统是对线程和进程区别对待的，线程有其特有的数据结构，我个人认为不如 Linux 的这种设计简洁，增加了系统的复杂度。</p>
<p>在 Linux 中新建线程和进程的效率都是很高的，对于新建进程时内存区域拷贝的问题，Linux 采用了 copy-on-write 的策略优化，也就是并不真正复制父进程的内存空间，而是等到需要写操作时才去复制。<strong>所以 Linux 中新建进程和新建线程都是很迅速的</strong>。</p>
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                </span></div><div class="post-info-line"><div class="post-info-mod">
                <span>更新于 2023-05-27</span>
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